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太阳的力量已经离地球更近了一步。 在X射线轰击下，塑料外壳快速内爆到氢的冰同位素上，产生了聚变，并且首次，170微克的这种超热聚变燃料释放的能量超过了它吸收的能量。 自2013年9月以来，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的192束激光的实验性射击至少再现了四次这样的聚变。 这一进展带来了希望，在遥远的未来，科学家们或许能够可靠地复制太阳和恒星的能量来源。
“这比以往任何人都更接近目标，并且真正独特的是从燃料中获得的能量与投入的能量一样多，”利弗莫尔物理学家奥马尔·飓风说，他是发表在自然杂志上的结果论文的主要作者。 “我们从DT燃料中获得的聚变能量比我们投入到DT燃料中的能量还要多。” （大众科学是自然出版集团的一部分。）
DT燃料代表氘和氚，氢的同位素，分别包含一个质子和一个中子或一个质子和两个中子。 2013年11月19日，在利弗莫尔国家点火装置（NIF）上进行的一次射击，持续时间不到2 x 10^–8 秒——比眨眼的时间还短——产生的能量几乎是施加能量的两倍，根据新论文。 改变激光将能量输入到空腔（一种容纳聚变燃料丸的小罐子）的时间证明是关键。 科学家们在射击的早期集中了更多的能量，以使过程早期条件更热，这似乎有助于在燃料丸内爆时将其保持在一起更长时间。
燃料丸本身是一个完美的球形塑料胶囊，直径约两毫米，形状精确（每个燃料丸的成本约为100万美元），以确保最佳性能。 氘和氚以气体的形式添加到空心燃料丸中。 然后将球体冷却至18.6开尔文，即–254.55摄氏度。 这种冷却导致氘和氚在球体内部形成一层冰，厚度约为70微米——比人头发的宽度还薄。 大约500兆焦耳的电力为激光器供电，然后泵出价值1.9兆焦耳的能量。 这些激光通过放大光学器件进行长距离的功率增强之旅，并射入空腔，空腔由金制成，直径为5.75毫米，长度为9.425毫米。 “它是一个汤罐，但非常小[并且]由金制成，末端有两个激光进入的孔，”聚变团队成员利弗莫尔物理学家黛比·卡拉汉解释说。
激光器在略多于一纳秒的时间内使用了1.9兆焦耳的能量，在空腔内部输送了500太瓦的功率（一太瓦是一万亿瓦）。 一团氦气云阻止了金等离子体入侵，否则会随着激光功率被空腔转化为X射线而入侵。 这些X射线击中胶囊的塑料外壳，塑料外壳吸收了最初输入激光能量的大约十分之一。 用飓风的话说，这足以摧毁外壳并将燃料像“火箭”一样驱动在一起，使燃料球体坍缩，直到它在几乎瞬间变成原始尺寸的三十五分之一，相当于从篮球大小的球体几乎瞬间变成豌豆大小的球体。 燃料吸收了X射线传递到塑料胶囊上的能量的大约十分之一。 该能量和内爆产生了一个高压（150吉帕）区域，用于聚变，该区域甚至比燃料层本身还要小——一个直径为60微米的热点，根据射击的质量，形状像没有孔的甜甜圈或苹果。 “条件非常恶劣，”飓风说，并指出保持大致球形形状的关键挑战。 “大自然不喜欢在小体积内投入大量能量，因此它会与你作对。”
正是在这个热点中，燃料达到超过5000万开尔文（约5000万摄氏度）的温度，并承受相当于地球大气压力1500亿倍的压力。 在这些条件下产生的氘和氚聚变产生氦和一个备用中子，并在过程中释放约17,000焦耳的能量。
换句话说，这些比太阳中心密度高出近三倍的恶劣条件释放的能量与滑雪时速58公里/小时的滑雪者所体现的能量相同（根据飓风的计算）。 总而言之，只有大约1%的激光能量最终进入燃料，然后燃料泵出价值17,000焦耳的能量，甚至少于制造DT燃料所需的能量。 所有这些持续了150皮秒，或150万亿分之一秒，然后聚变区自行爆炸。 “我们把所有这些能量都集中到一个非常小的体积中，以获得高压来促使这些反应发生，”飓风解释说。 “这是一种权衡。 我们最终的目标是收回[能量]。”
科学家们距离所谓的点火仍然很遥远：即任何类型的聚变释放的能量都超过启动它所消耗的能量的点。 而且，用于产生此结果的方法不太可能创造达到该目标所需的条件。 “通过降低可压缩性，他们降低了可以达到的压力，”桑迪亚国家实验室脉冲功率科学中心主任物理学家马克·赫尔曼解释说，他撰写了一篇评论，评论自然杂志上的研究论文。
但是，该发现团队也首次看到了产生这种聚变所需的物理过程的早期阶段。 具体而言，燃料显示出聚变物理学家喜欢称之为“自举”的证据。 本质上，融合氢同位素抛出的氦核（也称为阿尔法粒子）将其能量留在后面，维持了进一步聚变所需的条件。 这有助于使融合燃料的过热增加一倍以上，并表明该团队已达到实现点火所需能量的一半。 “当我们通过实验推动它时，自举效应会越来越明显，”飓风说。 “看到这种效应开始发挥作用非常令人兴奋，并且确实表明取得了进展。”
根据理论和计算机模型模拟，飓风和其他聚变科学家将需要将DT燃料承受的压力大致增加一倍——达到超过300吉帕——才能实现点火。 这一壮举将需要以每秒数百公里的速度更快地压碎胶囊，同时为聚变热点保持更完美的球形形状。 可以通过尝试使用塑料以外的材料作为胶囊的外壳（如金刚石或铍）或改变空腔的形状来实现这种条件。 “目前尚不清楚圆柱体是否是最佳形状，”卡拉汉说，并提出了橄榄球（蛋形）球的形状作为可能的替代方案。
增加激光功率也可能使研究人员能够将DT燃料上的压力增加一倍并实现点火。 但是，NIF的192束激光（耗资约35亿美元建造）是否能够胜任这项任务尚不清楚。 “我们尚不知道是否可以在NIF上实现点火，”赫尔曼评论道。 “增加压力以获得点火的最简单方法是加快内爆速度或增加聚变燃料的可压缩性。 这两种方法都存在增加不稳定性的风险，就像早期NIF实验中降低聚变产量的那些不稳定性一样。”
在启动NIF并于2010年至2012年运行的国家点火运动期间，尽管该设施努力争取尽可能高的能量产量，但未能实现点火。 在某种程度上，最新的这一系列实验旨在确定哪里出了问题。 现在看来，部分问题在于DT燃料的可压缩性过高，这使得聚变过程本身变得太不稳定而无法控制。 “新的内爆可压缩性较低，但更稳定，”飓风解释说。 “我们自我限制以获得这种控制，但这并不是我们坚持不变的事情，而是一个出发点。”
飓风将正在进行的点火探索比作攀登一座高度未知的山峰，山顶笼罩在云雾中，因此看不见。 获得比投入燃料更多的能量的这一步代表了一种营地，比以往任何人都走得更远，并且可以尝试新的路径来达到点火的顶峰。
基于激光的燃料压缩是一种称为惯性约束技术套件的一部分，它不是实现聚变的唯一手段。 物理学家还采用了磁场来塑造和容纳允许聚变发生的超热等离子体。 1997年，英国的联合欧洲环形加速器 (JET) 从聚变中释放了16兆瓦的功率（或在不到一秒的时间内释放了22兆焦耳的能量），使用了价值24兆瓦的热量——之前的记录。 “从燃烧等离子体物理学的角度来看，NIF等离子体的性能优于JET等离子体，”罗切斯特大学物理学家里卡多·贝蒂解释说，因为它创造了自加热自举过程。
但是，基于JET设计的磁约束装置，称为国际热核实验堆，或ITER（发音为“伊特尔”），正在法国卡达拉什村附近建造。 “根据基于JET和理论的预测，ITER将产生500兆瓦的聚变功率，”JET所在的卡勒姆聚变能源中心主任物理学家史蒂文·考利说。 “等离子体的能量输入将小于50兆瓦，而产生这种输入的电力将约为200至250兆瓦。 这是一个实验，所以我们不完全清楚。”
无论NIF是否实现点火，该设施都将继续创造高密度聚变条件，事实证明，对于那些负责确保美国核武库保持正常运转的人员来说，这也是有用的。 现在，这个武器小组不再偶尔引爆核弹，而是依靠此类测试来创造类似于热核武器核心的条件。 NIF射击还模拟了在木星或棕矮星等气态巨行星中心发现的条件。 “它使我们能够研究以前从未接触过的核合成过程，”聚变团队的另一位成员利弗莫尔实验等离子体物理学家塔米·马说。
但是，即使有一天科学家们在NIF、ITER或其他尚未梦想到的设施中实现了点火，建造真正的聚变发电厂仍然还有很长的路要走。 首先，需要新鲜的稀有氚来源来维持聚变。 目前的想法集中在所谓的锂包层上，该包层将受到来自聚变本身的备用中子的轰击，从而产生更多的氦和氚，同时仍然留有一些剩余能量用于收集以产生电力，这种想法几乎没有出错的余地。 “我们已经等待了60年才接近受控聚变——我们现在在磁约束和惯性约束方面都接近了，”考利说。 “我们必须坚持下去。”
毕竟，E = mc^2，这意味着考虑到光速，非常少量的质量可以产生大量的能量。 几乎无限、可持续能源的前景，仅以一丝氦气作为副产品，确保了持续的兴趣，尽管NIF本身将在2015年进行审查。 就在去年，美国国家科学院国家研究委员会认可了对惯性约束聚变的持续投资，考虑到潜在的好处，尽管它也呼吁支持更多的方法，例如粒子束或脉冲磁束，而不仅仅是NIF使用的高功率激光。 “我们的理论理解是，如果我们继续朝着这个方向努力，我们就有机会，但我们不能真正保证结果如何，”飓风指出。 “我们无法诚实地告诉你我们何时会实现点火。 我们正在疯狂地朝着这个方向努力。”